Twintig keer actievere platina-nikkel katalysator

Katalysatoren versnellen chemische reacties. Maar het hierbij veelgebruikte metaal platina is schaars en duur. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) ontwikkelden een alternatief dat twintig keer actiever is. De katalysator bestaat uit holle nanokooien van een legering van nikkel en platina. TU/e-onderzoeker Emiel Hensen wil hiermee op termijn elektrolyzer op koelkastformaat ontwikkelen van ongeveer tien megawatt.

Een elektrolyzer zet (een overschot van) elektrische energie met water om in waterstof. Op een later tijdstip doet een brandstofcel het omgekeerde, waarbij het opgeslagen waterstof weer omgezet wordt in elektrische energie. Voor beide technologieën is een katalysator nodig die het proces versnelt.

De katalysator die helpt bij deze omzettingen is – vanwege zijn hoge activiteit – veelal gemaakt van platina. Maar platina is erg duur en relatief schaars. TU/e-hoogleraar katalyse Emiel Hensen: ‘Collega-onderzoekers uit China ontwikkelden daarom een legering van platina en nikkel, waarmee de kosten omlaag en de activiteit juist omhoog gaan. Bij de TU/e hebben we de invloed van nikkel op de meest belangrijke reactiestappen onderzocht. Hiervoor ontwikkelden we een computermodel gebaseerd op beelden van een elektronenmicroscoop. Met kwantumchemische berekeningen wisten we zo de activiteit van de nieuwe legering te voorspellen, en konden we begrijpen waarom deze nieuwe katalysator zo effectief is.’

Morfologie

Naast de andere metaalkeuze, wisten de onderzoekers ook de morfologie flink aan te passen. De atomen in de katalysator moeten namelijk een binding aangaan met de watermoleculen om deze om te kunnen zetten. Meer bindingsplaatsen leidt dus tot een hogere activiteit. Hensen: ‘Je wilt zoveel mogelijk metaaloppervlak beschikbaar maken. De ontwikkelde holle nanokooien zijn naast de buitenkant, ook van binnenuit te benaderen. Zo ontstaat een groot oppervlak, waardoor meer materiaal tegelijkertijd kan reageren.’ Hensen toonde bovendien met kwantumchemische berekeningen aan dat de specifieke oppervlaktestructuren die de nanokooien vertonen de activiteit nóg verder verhogen.

Test katalysator

Beide oplossingen blijken na het doorrekenen in Hensen’s model een twintig keer hogere activiteit op te leveren dan de huidige katalysatoren van platina. En dat resultaat hebben de onderzoekers ook teruggevonden in experimentele tests in een brandstofcel. ‘Een belangrijk kritiekpunt op veel fundamenteel werk is dat het zijn ding in het lab doet, maar als iemand het in een echt apparaat stopt dan werkt het vaak niet. Wij hebben laten zien dat het écht werkt.’ De onderzoekers hebben de katalysator 50.000 ‘ronden’ getest in de brandstofcel, en zagen daarbij een te verwaarlozen afname in activiteit.

Hensen is samen met andere TU/e-onderzoekers én industriële partners uit Brabant betrokken bij het opstarten van het energie-instituut van de TU Eindhoven. Het doel is om de elektrolyzers die nu op de markt zijn flink op te schalen, tot een elektrolyzer op koelkastformaat van ongeveer tien megawatt.

Lees hier de publicatie in Science